中石油西气东输二线上海支干线抚州压气站SVG室内循环冷却改造方案

张海健，胡天明，刘琨，黄永恒

（中石油管道有限责任公司西气东输分公司，上海200122）

1 SVG的基本结构原理

SVG即高压静止无功补偿器，通常由逆变桥、直流电容器、电抗器、断路器及冷却系统等部分构成，其中，逆变桥由可关断的半导体器件IGBT组成。其工作原理是将自换相桥式电路通过电抗器并联在电网上，通过调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，或者直接控制其交流侧电流的相位和幅值，使电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现快速动态无功补偿合消除谐波等目的。

2 项目概述

西气东输抚州压气站110kV变电所，包括华电GIS、达驰变压器、鲁亿通中压柜、荣信SVG等核心设备也全部实现了国产化。其中，荣信SVG在场站运行中发挥着极其重要的作用，经过改造，由原来只补偿10kV侧站内用电系统的无功电量，到现在能够实现站内设备与外电线路的双向补偿，节约了力调电费，降低了运营成本。

2.1 SVG设备功能

SVG主要功能包括：（1）提高线路输电稳定性；（2）维持受电端电压，加强系统电压稳定性；（3）补偿系统无功功率，提高功率因数；（4）谐波动态补偿，改善电能质量；（5）抑制电压波动和闪变；（6）抑制三相不平衡等[1]。

2.2 SVG设备故障影响及原因

SVG设备故障后将无法对站内设备与110kV外电线路进行补偿，抚州压气站110kV电力线路容性无功很大，对电网的影响主要表现在：（1）无法补偿线路容性无功，导致力调电费罚款大增；（2）总电流增大，加剧设备及线路的损耗；（3）使线路和变压器电压降增大，供电质量严重降低。

2014—2019年，抚州站SVG共发生过12次故障，原因皆为室内湿度较大导致单元驱动板损坏。由于江西每年3～9月环境湿度常达到90%以上。现场SVG是依靠自然强迫风冷，进风口的设计在室外，将户外大量的潮湿空气吸入SVG功率单元内进行散热。SVG长期处于超出设计湿度运行，随着温度变化，潮湿的空气和灰尘就会在绝缘器件、半导体器件及PCB的板卡上凝结下来，导致功率单元绝缘下降，放电损坏[2]。

3 改造技术方案

3.1 改造前后工作原理

改造前，SVG冷切方式为室外强迫自然风冷，直接通过进风口吸入外界空气到SVG室，再经过设备本体上安装的滤网进入设备内部对设备进行冷却，然后通过风扇抽离，经过排风风道排到室外。

改造后，SVG设备冷切方式为内循环风冷，直接由空调将SVG室内温湿度控制在适宜范围内，再经过设备本体上安装的滤网进入设备内部对设备进行冷却，然后通过风扇抽离，直接排放到室内，继续由空调进行室内温度调节，持续保证设备稳定运行在适宜的环境中。

3.2 空调容量选择测算

3.2.1 SVG连接电抗器的发热量计算

连接电抗器的损耗计算公式为：

式中，P为发热量；I为SVG额定输出时电抗器工作电流，为167A；R为电抗器电阻，R=ωL/Q[其中，ω为角频率（2πf，f为交流电频率为50Hz）；Q为品质因数，取45；L为电感量]。代入数据得P=10.5kW。

3.2.2 SVG单个功率单元发热量计算

1）IGBT损耗计算。根据现场的设备容量为10kV 5M，其发热量计算为：设备电流167A，现场设备采用的是风冷，IGBT额定电流300A并联，开关频率250Hz，散热器表面温度90℃，双极性调制。

IGBT选型：富士2MBI300VH-170P-50 IGBT模块由IGBT本部和续流二极管FWD组成，各自发生的损耗的合计为IGBT模块整体损耗；同时，IGBT的损耗又分为通态（稳态）损耗和交换（开关）损耗。

IGBT（本部）耗散功率计算：IGBT通态平均功耗是：

式中，iC（t）为随时间变化的集电极电流；VCE（sat）（t）为IGBT饱和压降；T为导通周期。通态损耗近似是Psat=VCE（sat）ICDT（其中，VCE（sat）为IGBT饱和压降；IC为通态下的集电极电流；DT为占空比PWM）。应用时，近似通态损耗Psat=VCE（sat）ICDT=104.8W。续流二极管损耗：Pd=27.9W。

开关损耗精确计算：测量开关过程中的波形，对其进行积分（积分时间是开通时间或关断时间）。

iC（t）VCE（sat）的积分面积是以焦耳为单位的开关能量。总开关损耗是开通与关断过程所损耗能量之和，平均开关损耗是单位脉冲开关损耗与开关频率相乘后得到：

式中，Psw为IGBT开关平均损耗；fPWM为IGBT开关频率；EON为IGBT开关开通损耗；EOFF为IGBT开关关断损耗。实际上，EON和EOFF可由交换损耗-集电极电流特性曲线来估算依据IGBT实际流过的电流值，查曲线得到EON和EOFF，即可计算平均开关损耗本部总损耗是通态损耗和开关损耗之和

2）直流电容损耗计算。根据直流电容铭牌得知直流电容器损耗为：23.6W。

3）控制回路损耗计算。控制柜损耗：250W。

4）其余部分损耗计算。驱动板损耗=15W。均压电阻损耗是单元直流侧电压在容性满载情况下，电压为900V，电阻采用的是9K，那么每个电阻的功率为：8002/9 000=72W。

根据上述损耗相加计算得出了单个功率单元发热量，即143.6+94.4+250+15+72=575W。

3.2.3 发热量计算结果

抚州站成套SVG共有63个功率单元，发热量为36kW。电抗器发热量为10.5kW，成套SVG发热量为36+10.5=46.5kW。

3.2.4 空调容量选择

按着空调制冷量1P=2.5kW的制冷量计算，那么46.5kW热量所需的空调容量为：46.5/2.5=18.6P。预留10%余量，则空调的总容量选择20P即可。采用3台10P空调，平时2台运行，1台备用。

4 改造后效果

SVG室内循环冷却改造后，连续运行7个月未发生类似故障，改造效果明显，更好的保障供电质量。

5 结语

通过对SVG动态无功补偿装置的结构和原理分析，为以后设备维护，维修提供了理论依据，便于及时发现设备故障，从源头解决SVG经常性故障问题，为正常生产提供优质，高效电能。